Cicli a Umidificazione e Deumidificazione in Sistemi Ibridi: Una Spiegazione Dettagliata

La ricerca di soluzioni sempre più efficienti e sostenibili per il riscaldamento e il raffrescamento domestico ha portato alla diffusione degli impianti ibridi. Questi sistemi rappresentano una risposta innovativa alle notevoli escursioni termiche e di umidità relativa dell’aria esterna nei diversi periodi dell’anno, offrendo un comfort ottimale e un significativo risparmio energetico. Comprendere i principi di funzionamento e le diverse configurazioni dei sistemi ibridi, con particolare attenzione ai cicli di umidificazione e deumidificazione, è fondamentale per apprezzarne i vantaggi e la loro crescente rilevanza nel panorama impiantistico attuale.

Cosa sono i Sistemi Ibridi e Come Funzionano

Un impianto ibrido è un sistema di riscaldamento che combina due tecnologie principali: una caldaia a condensazione e una pompa di calore. In particolare, la caldaia a condensazione sfrutta il calore residuo dei gas di scarico per riscaldare l'acqua, recuperando energia che altrimenti andrebbe dispersa. La pompa di calore, invece, utilizza l'energia presente nell'aria esterna per riscaldare o raffreddare l'ambiente interno, rappresentando un generatore di calore versatile che può essere impiegato per riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria.

Il funzionamento di un impianto ibrido è piuttosto semplice e si basa su un controllo elettronico intelligente. Il sistema è dotato di un'unità di controllo, spesso integrata nella centralina della pompa di calore, che, in base a diverse variabili, decide quale delle due fonti di calore utilizzare in ogni singolo istante. Le variabili considerate includono le condizioni climatiche, in particolare la temperatura ambientale esterna, la temperatura di mandata degli impianti di casa e i prezzi di gas metano ed energia elettrica, che vengono configurati nel sistema.

In genere, la pompa di calore viene utilizzata nelle stagioni intermedie e nelle giornate più miti, quando le temperature esterne sono sufficientemente elevate per garantire un buon rendimento. Dal punto di vista tecnico, la caldaia a condensazione è collegata alla pompa di calore attraverso due tubazioni. L'attivazione dell'una o dell'altra modalità è gestita dal sistema intelligente dell'impianto. Ad esempio, nel sistema ibrido Rinnai, la gestione smart avviene tramite la centralina elettronica integrata nella pompa di calore, scegliendo di volta in volta la fonte meno costosa tra energia elettrica e gas, ottimizzando i consumi in base alle reali esigenze di riscaldamento. Non servono ulteriori accessori all’impianto.

I sistemi ibridi, grazie ai sistemi elettronici integrati, garantiscono la precedenza al funzionamento della pompa di calore fino a una soglia esterna di circa 5°C, provvedendo all'inserimento del generatore di calore (caldaia) se tale limite viene superato. Questa integrazione permette di anticipare ed evitare che l'unità possa funzionare in condizioni di ridotto rendimento, selezionando e privilegiando in ogni singolo istante il sistema che permette la massima efficienza.

Vantaggi dei Sistemi Ibridi

Un sistema ibrido conviene quando si desidera ridurre i costi energetici e l'impatto ambientale. Risulta particolarmente vantaggioso in aree con climi variabili, dove le temperature possono cambiare drasticamente tra estate e inverno. Grazie alle sue caratteristiche e al funzionamento peculiare, un impianto ibrido garantisce un comfort abitativo ottimale, andando a modulare la temperatura in modo preciso. Questo si traduce in significativi abbattimenti dei consumi in bolletta, con un risparmio stimabile tra il 20% e il 40% rispetto a una caldaia tradizionale, limitando il ricorso a fonti fossili.

L'ibrido riesce, infatti, a portare un risparmio nei costi di gestione perché per la maggior parte del tempo è la pompa di calore a lavorare. L'ibrido di fatto attiva la caldaia nei momenti di picco, come in inverno quando le temperature scendono ripetutamente sotto lo zero, garantendo continuità al riscaldamento dell'impianto e migliorando comfort e rendimento complessivo.

Inoltre, i sistemi ibridi trovano naturale diffusione installativa sia in edifici di nuova costruzione sia nei casi di ristrutturazione e riqualificazione energetica. Nelle ristrutturazioni, la scelta di un sistema ibrido è spesso molto funzionale perché si adatta meglio all'impianto esistente. I sistemi ibridi rientrano negli acquisti che possono beneficiare delle detrazioni fiscali per le ristrutturazioni e il miglioramento della classe energetica degli edifici, come Conto termico 2.0, Ecobonus, Super Ecobonus e Bonus Casa. La FAQ n.74 da ENEA specifica che tali interventi sono compatibili con il sistema di detrazione fiscale per l'efficienza energetica, fermo restando il rispetto dei requisiti tecnici essenziali per la caldaia a condensazione e considerando la pompa di calore come apparecchiatura agevolabile.

Sfide e Considerazioni

Al netto dei numerosi benefici, una caldaia ibrida con pompa di calore è più complessa di una caldaia tradizionale, quindi richiede una progettazione e un'installazione accurate. L'installazione di un impianto ibrido comporta notoriamente un investimento iniziale più elevato rispetto a una tradizionale caldaia a condensazione. È importante sottolineare che il rendimento della pompa di calore diminuisce significativamente a temperature esterne troppo rigide. Il risparmio ottenibile con un impianto ibrido varia in base a numerosi fattori, come le dimensioni dell'abitazione, il clima, il livello di isolamento termico e le abitudini di consumo. Un'analisi energetica eseguita in modo oculato, da tecnici preparati, darà la possibilità di selezionare il miglior modo di funzionamento di un sistema ibrido.

Deumidificazione: Principi e Tecnologie

La deumidificazione è un processo che consente di eliminare o più precisamente abbassare l'umidità presente in un ambiente interno. Può essere definita come il processo di rimozione del vapore acqueo in eccesso nell'aria, noto come umidità. L'umidità relativa dell'aria negli ambienti interni non influenza sensibilmente il comfort termico. Tuttavia, la germinazione e lo sviluppo delle muffe su supporti porosi risultano tanto più rapidi e deleteri quanto più elevata è l'umidità relativa dell'aria locale. In via cautelativa, come richiamato dalla normativa vigente, valori del 55-60% rappresentano già la soglia massima consigliata ai fini del comfort ambientale. Il valore ideale di umidità in casa si attesta tra il 40% e il 60%, variando a seconda della temperatura e dell'aerazione dei locali.

La sottrazione di una potenza termica ad una portata di aria umida, definita solitamente raffreddamento, è pertanto una trasformazione a umidità specifica costante, ad entalpia decrescente, a temperatura decrescente, a umidità relativa crescente. Quanto affermato, tuttavia, rimane valido fintanto che l'umidità relativa non raggiunge il valore del 100%, ovvero fintanto che l'aria non raggiunge la condizione di saturazione. Si definisce temperatura di rugiada quella temperatura alla quale inizia la condensazione del vapore d'acqua quando si impone all'aria umida un raffreddamento.

Il raffreddamento con deumidificazione dell'aria umida può essere realizzato in vari modi: con una batteria idronica in cui scorre acqua refrigerata oppure con l'evaporatore di una macchina frigorifera. È evidente che, per sottrarre calore all'aria, le sorgenti indicate devono avere una temperatura minore di quella dell'aria.

Tipi di Processi di Deumidificazione

Nell'ambito della deumidificazione è possibile descrivere diversi tipi di processi, che si includono nella categoria di prodotti HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning):

1. Deumidificazione per raffreddamento: Questa tipologia di sistema rappresenta il comune climatizzatore domestico. Eseguendo un raffreddamento dell'aria interna ad una pressione costante, il vapore presente nell'aria condensa perché entrando in contatto con una batteria fredda va al di sotto della sua temperatura di rugiada. La maggior parte dei condizionatori, tra i vari programmi in dotazione, ha la "funzione dry condizionatore". La funzione deumidificazione del condizionatore consente di eliminare l'umidità dall'ambiente senza dover raffreddare l'aria, consumando meno energia. Abbassare infatti la temperatura richiede un'energia sicuramente maggiore di quanto lo richieda limitarsi ad asciugare l'umidità in eccesso. Questo permette un netto abbattimento dei consumi in bolletta (circa il 20-25%).

   

   In realtà, più spesso di quello che pensiamo, per avere nell'ambiente aria più fresca e non patire l'afa estiva basterebbe semplicemente eliminare l'umidità dalla stanza: a giovarne i consumi, ma anche la nostra salute. La deumidificazione consente di avere nella stanza un'aria più salubre, prevenendo l'insorgenza di tutti quei fastidiosissimi problemi causati dall'aria condizionata: dolori muscolari, cervicali, crampi, bronchiti. Per questo motivo ci si può concedere di dormire sonni tranquilli, lasciando accesa questa funzione anche durante la notte, senza soffrire il caldo e senza il timore di svegliarsi pieni di dolori.

2. Deumidificatori non isotermici: Immettono l'aria in ambiente a temperatura più elevata, ma con minore umidità. Questi sistemi sono formati da un circuito frigorifero ad espansione diretta. L'aria viene ripresa dall'ambiente e, attraversando l'evaporatore, subisce un trattamento di raffreddamento con deumidificazione. Dopo, attraversando il condensatore, viene riscaldata fino a una temperatura poco superiore a quella ambiente, a causa dell'apporto di potenza derivante dal compressore. Parliamo dunque di una deumidificazione non perfettamente isotermica, equivalente a quella riscontrata nei modelli portatili. I più semplici sono dotati di una bacinella di raccolta dell'acqua che deve essere periodicamente svuotata. In alternativa, alcuni modelli dispongono di uno scarico condensa aggiuntivo per bypassare la bacinella e utilizzare uno scarico predisposto. Sono i modelli atti alla deumidificazione di cantine, locali interrati, bagni e lavanderie.

3. Deumidificatori isotermici: Immettono aria a temperatura neutra, ma con minore umidità. L'aggiunta di una o più batterie idroniche alimentate ad acqua refrigerata (ad esempio proveniente dal circuito radiante in funzionamento estivo) consente di eseguire un piccolo raffrescamento per portare la temperatura di uscita uguale a quella di ripresa, rendendo perfettamente isotermico il processo di deumidificazione.

4. Deumidificatori con integrazione frigorifera o termica: Simili ai modelli isotermici, a comando possono immettere aria più fredda o calda, dunque integrare potenza frigorifera o termica. Richiedono, come i precedenti, l'alimentazione idronica. In alternativa, sono presenti modelli solo idronici, senza circuito frigorifero, paragonabili quindi a ventilconvettori. Un esclusivo sistema frigorifero permette di mettere la deumidificazione di elevate quantità d'aria impiegando piccolissime potenze e lasciando del tutto inalterata la temperatura dell'aria degli ambienti. L'acqua raccolta nella vaschetta sottostante viene convogliata nel sifone di scarico.

Deumidificazione in Abbinamento a Sistemi Radianti

Sempre più spesso, gli impianti radianti nati per fare riscaldamento invernale, vengono utilizzati anche per effettuare climatizzazione estiva mediante acqua refrigerata. Per un corretto sfruttamento del sistema radiante anche in estate, occorre un controllo del tasso di umidità per limitare il rischio di condensa in prossimità delle superfici fredde. In caso contrario sarà possibile localizzare la deumidificazione ricorrendo, ad esempio, all'uso di un deumidificatore orizzontale da controsoffitto in modo da immettere l'aria trattata direttamente all'interno dei singoli locali da climatizzare. La dislocazione sfrutta la proprietà migratoria del vapore acqueo, richiamandolo da una zona di alta pressione (ambiente più umido) ad una zona di bassa pressione (ambiente più secco).

Sistemi di Ventilazione Meccanica Controllata (VMC) per la Deumidificazione

La VMC, combinata con i sistemi di pannelli radianti, può costituire un vero e proprio impianto di climatizzazione integrato, utilizzato sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo, con il controllo dell'umidità e della qualità dell'aria. Questa tecnologia prevede un recuperatore di calore statico seguito da un sistema di scambiatori per il trattamento dell'aria, idronici e/o ad espansione diretta. Il trattamento di deumidificazione (come precedentemente descritto) viene eseguito dal circuito frigorifero e quello termico sensibile di integrazione avviene attraverso le batterie idroniche collegate a un generatore di potenza termica e frigorifera. Per garantire la corretta azione delle batterie di pre-post trattamento dell'aria, va effettuata la relativa taratura sul regolatore di portata del collettore. È dotato di batterie di pre e post raffreddamento estivo aventi rispettivamente il compito di neutralizzare il carico sensibile dell'aria aspirata e garantire l'immissione in ambiente di aria essicata a temperatura neutra (uguale a quella ambiente). Le batterie saranno idraulicamente alimentate da un circuito derivato dallo stesso collettore di alimentazione dei circuiti radianti; il circuito dovrà essere intercettato da una valvola dotata di servocomando elettrotermico on-off.

Pompe di Calore e Loro Interazione con l'Umidità

Le pompe di calore maggiormente diffuse e commercializzate nel nostro paese sono del tipo aria-aria, con rendimenti particolarmente interessanti soprattutto grazie all’evoluzione dell’elettronica e ai nuovi sistemi dotati di regolazione ad inverter. Rispetto agli impianti geotermici, i sistemi aria-acqua non necessitano di terreno esterno e neppure di specifiche autorizzazioni, pertanto possono essere installati quasi ovunque, a meno ovviamente di vincoli architettonico-paesaggistici.

È indubbio che le pompe di calore ad aria hanno un rendimento che varia in modo proporzionale alla variazione della temperatura dell’aria esterna, ma di contro l’aria esterna non teme, nel tempo, un degrado termico, fenomeno naturale e fisiologico a cui vengono esposte le sorgenti degli impianti geotermici quando viene sottratto troppo calore al terreno. Gli impianti geotermici infatti, necessitano di un’attenta progettazione ed è indispensabile che gli stessi funzionino non solo nel periodo invernale nei cicli di riscaldamento, ma anche in quelli estivi per la climatizzazione. Questa soluzione di carico/scarico del terreno prolunga la vita utile delle pompe di calore geotermiche, evitando la deriva termica dell’elemento che ospita le sonde.

La Sfida del Ghiaccio e i Cicli di Sbrinamento

In condizioni di temperatura esterna basse e percentuali di umidità relative elevate, il rendimento delle pompe di calore si riduce in modo considerevole, rendendo non più vantaggioso il loro funzionamento. Non ultimo va tenuto in considerazione che nel funzionamento in riscaldamento, lo scambiatore esterno opera come evaporatore e la temperatura sulla superficie risulta essere molto bassa. In queste condizioni di funzionamento capita spesso che sullo scambiatore si formi uno strato ghiacciato perché l’acqua presente nell’aria gela. Questa condizione comporta una notevole riduzione dell’efficienza di scambio termico della batteria a causa della riduzione della sezione di passaggio dell’aria attraverso le alette.

Per eliminare il ghiaccio depositato, viene attivato in modo automatico dall’unità, un ciclo di defrosting, meglio conosciuto come ciclo di sbrinamento, durante il quale una valvola di scambio interna al circuito frigorifero, inverte il ciclo per utilizzare energia termica per sbrinare il ghiaccio formatosi sulla superficie. Nelle zone climatiche più rigide, per esempio in montagna, il sistema ibrido con la presenza di una caldaia a condensazione in abbinamento alla pompa di calore è molto utile. Il sistema ibrido riesce, infatti, a dare continuità al riscaldamento dell'impianto e a migliorare comfort e rendimento complessivo.

La temperatura esterna è determinante per il buon funzionamento della pompa di calore, ma non è l'unico fattore che ne influenza il comportamento. La presenza di umidità relativa elevata, infatti, intensifica la formazione di ghiaccio e la conseguente riduzione di scambio termico, che sarà tanto più frequente quanto più è elevata l'umidità relativa. La conseguenza è che la pompa di calore necessita di periodici cicli di sbrinamento, anche ravvicinati, dove la potenza erogata è dedicata allo scioglimento della brina sulla batteria alettata anziché al riscaldamento dell'unità abitativa, con un'ovvia riduzione del C.O.P. (coefficiente di performance) che può arrivare fino al 30%.

Integrazione di Sistemi Ibridi con Solare Termico

Per massimizzare l'efficienza energetica dell'edificio, è possibile arrivare ad integrare i sistemi ibridi descritti in precedenza anche con un impianto solare termico. È evidente che questo tipo di impianto soffre di un naturale costo di investimento iniziale maggiore, ma è altrettanto vero che i tempi di ammortamento sono particolarmente bassi, proprio perché l'energia solare è un'energia completamente gratuita.

Esistono infine sistemi ibridi che integrano un impianto solare termico a svuotamento. Questi sistemi nascono dall'esperienza maturata nel corso degli anni da progettisti, installatori e soprattutto dai produttori di apparecchiature. Come in molti ben sapranno, uno dei limiti principali che ha un impianto solare termico di tipo tradizionale è il rischio di raggiungere la temperatura di stagnazione. La temperatura di stagnazione viene raggiunta quando non vi è alcun prelievo termico dall'impianto e pertanto viene captata più energia di quanta ne venga dissipata.

Con i sistemi solari termici a svuotamento, il circuito dei pannelli solari viene alimentato con acqua non glicolata, dato che non vi è alcun rischio di congelamento dell'acqua all'interno del circuito. Con questi sistemi, pertanto, il circuito solare viene caricato in modo automatico solo quando ci sono le condizioni per lo sfruttamento dell'energia solare. Di contro, affinché questi impianti funzionino in modo corretto, è necessario prestare attenzione alla posa delle tubazioni, affinché le stesse abbiano una pendenza continua verso il serbatoio, per garantire il completo svuotamento del circuito stesso.

Configurazioni Comuni degli Impianti Ibridi

Gli schemi di impianto ibrido possono variare notevolmente in base alle esigenze specifiche e alle dimensioni dell'edificio. I primi quattro schemi riguardano installazioni tipiche domestiche. Il primo schema delineerà un sistema ibrido dedicato al servizio dell'impianto di riscaldamento e alla produzione di acqua calda sanitaria.

Gli ultimi due schemi affronteranno soluzioni più complesse, progettate per impianti di dimensioni maggiori, ideali per soddisfare le esigenze di grandi edifici. Il quinto schema si concentrerà su un impianto dedicato esclusivamente alla produzione di calore, servendo sia il riscaldamento che la produzione di acqua calda.

Un esempio di sistema ibrido compatto è Genus One Hybrid Net R32 di Ariston, che combina una pompa di calore a sorgente d'aria con una caldaia a gas a condensazione. Questo sistema innovativo fornisce riscaldamento, raffreddamento e produzione di acqua calda sanitaria in modo efficiente, essendo un sistema "factory made", ovvero certificato dal produttore per garantire la compatibilità e l'efficienza dei componenti.

Un impianto ibrido con pompa di calore e caldaia in parallelo prevede un'area di lavoro nella quale la pompa di calore ed il generatore di calore lavorano assieme. In questa modalità la caldaia provvede solo a gestire il gap mancante alla pompa di calore per soddisfare la richiesta termica dell'impianto, riducendo il consumo di gas metano.

Per comprendere meglio come funziona un sistema ibrido facciamo un esempio. Ipotizziamo di gestire l’impianto della nostra abitazione in base alla temperatura esterna e di aver impostato una soglia di temperatura “T10”. Le possibili modalità di funzionamento del sistema ibrido saranno: quando la sonda climatica rileva una temperatura prossima o superiore a “T10” si attiva solo la pompa di calore; quando la sonda climatica rileva una temperatura più bassa rispetto a “T10” si accende solo la caldaia; quando la sonda climatica rileva una temperatura intermedia si attivano entrambe le unità. Il funzionamento di una o dell'altra unità è definito dalla centralina sulla pompa di calore: l'utente non deve agire manualmente sui componenti dell'impianto, che si regolano da soli. La certificazione del sistema ibrido è una tutela per il consumatore: efficienza e risparmio del sistema ibrido sono garantiti di fabbrica.

Consigli per Massimizzare l'Efficienza dei Sistemi di Climatizzazione

Oltre alla funzione dry, che ora sarà finalmente sfruttata come merita, esistono anche altri modi per ridurre il consumo del tuo condizionatore a vantaggio delle tue tasche e del nostro pianeta.

• Classe energetica: Il primo elemento che va direttamente a incidere su consumi e spesa è la classe energetica del tuo condizionatore: sceglilo sempre in classe energetica elevata (superiore alla A), perché oltre a ridurre le emissioni di CO2 nell’atmosfera, consuma molto meno. Solo per fare un esempio, con un condizionatore in classe A+++ si spende circa il 30-40% in meno rispetto a uno in classe B.

• Potenza: Il condizionatore deve avere una potenza adeguata all’ambiente che deve andare a raffrescare, altrimenti il rischio è quello di spendere troppo per un modello eccessivo rispetto alle tue esigenze, o al contrario, di ritrovarti con un modello inefficiente.

• Tecnologia inverter: Questa tecnologia è il top del comfort e dell’efficienza. Il sistema inverter, una volta raggiunta la temperatura desiderata, permette di mantenerla costante impiegando meno elettricità. Ciò consente di avere la potenza del tuo condizionatore sempre adeguata all’effettiva necessità, con il risultato di un comfort ideale con consumi energetici ridotti.

• Ubicazione: È importante installare il condizionatore sempre nella parte più alta del muro, dal momento che l’aria fredda tende a scendere e quella calda a salire, e ricordarsi di non collocarlo mai dietro divani o tende: si bloccherebbe la diffusione di aria fresca.

• Porte e finestre: Per evitare dispersioni di aria fredda, costose sia in termini di denaro che di energia, conviene tenere finestre e porte chiuse.

• Pulizia e manutenzione: Una corretta pulizia e manutenzione, come in tutte le cose, del resto, aiuterà il tuo condizionatore a funzionare sempre in maniera efficiente e a durare il più a lungo possibile. In particolare: ripulisci filtri e ventole alla prima accensione stagionale e poi a cadenza regolare. Filtri sporchi aumentano il consumo di corrente e quindi costano di più in bolletta, oltre a rappresentare un pericolo per la nostra salute.

• Isolamento termico: L’isolamento termico della tua casa contribuisce ad abbattere i costi per la climatizzazione anche fino al 40%, per questo motivo sarebbe opportuno valutare anche questo aspetto. Operare un intervento di isolamento termico (ad es. installazione di cappotto termico, sostituzione infissi) può fare una differenza significativa.

Naturalmente, oltre a un uso migliore del condizionatore, esistono molteplici modi per risparmiare sulle spese energetiche in casa. Abitudini corrette e piccoli accorgimenti possono fare molto per rendere le tue bollette più leggere e per prendersi cura dell’ambiente che ci circonda, ma il primo passo è sicuramente scegliere il fornitore con l’offerta giusta per te.

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